Forza di Lorentz: viaggio nel cuore dell’elettromagnetismo

La forza di Lorentz è una forza vettoriale che agisce su una particella carica in movimento all’interno di un campo magnetico. Prende il nome dal fisico olandese Hendrik Lorentz, che ha formulato questa legge nel contesto della teoria classica dell’elettromagnetismo.

Un campo magnetico è un campo vettoriale solenoidale generato nello spazio che descrive l’influenza magnetica su cariche elettriche in movimento, correnti elettriche e materiali magnetici.  Una carica in movimento in un campo magnetico, infatti, subisce una forza perpendicolare alla propria velocità e al campo magnetico.

L’unità di misura del campo magnetico nel Sistema Internazionale è il tesla T che indica quel campo magnetico in cui una carica di un coulomb che si muove con una velocità di 1 m/s perpendicolarmente al campo magnetico subisce una forza di un newton. L’equazione dimensionale del tesla è T ≡ [N·s·C-1·m-1] dove N = Newton, s = secondi, C = Coulomb e m = metri.

Il campo magnetico può essere descritto tramite linee di campo usate per visualizzare e descrivere il campo magnetico intorno a una sorgente magnetica, come un magnete o una corrente elettrica. Le linee di campo magnetico, che sono uno strumento utile per comprendere la struttura e il comportamento dei campi magnetici, sono continue, non si interrompono e partono sempre dal polo nord magnetico e terminano al polo sud magnetico.

campo magnetico da Chimicamo
campo magnetico

Questo suggerisce che il campo magnetico si sviluppa sempre in un ciclo chiuso. Le linee di campo magnetico sono tangenti alla direzione del campo magnetico in ogni punto e indicano la direzione in cui una bussola magnetica si orienterebbe se posta in quel punto del campo magnetico.

Esse  sono più dense vicino ai poli magnetici e si allontanano l’una dall’altra man mano che ci si allontana dai poli. Ciò indica un’alta intensità del campo magnetico vicino ai poli e una diminuzione dell’intensità man mano che ci si allontana.

Definizione della forza di Lorentz

La forza di Lorentz si riferisce a una combinazione di forza magnetica ed elettrica che agisce su una carica puntiforme a causa della presenza di campi elettromagnetici.

La forza di Lorentz è una forza vettoriale che agisce su una particella carica in movimento quando questa si trova immersa in un campo magnetico e in presenza di un campo elettrico ed  è la risultante dell’interazione tra la carica della particella, il campo magnetico in cui si muove e il campo elettrico presente.

Una particella di carica q che si muove con una velocità v in un campo elettrico E e in un campo magnetico B subisce una forza di Lorenz definita come:
F = e(E+ v x B)

Dove:

F è la forza di Lorentz che agisce sulla particella (in newton)
q è la carica della particella (in coulomb)
E è il campo elettrico in cui la particella è immersa (in newton per coulomb)
v è la velocità della particella (in metri al secondo)
B è il campo magnetico in cui la particella si muove (in tesla)

regola della mano destra da Chimicamo
regola della mano destra

Il termine v x B rappresenta il prodotto vettoriale tra la velocità v e il campo magnetico B

La direzione della forza di Lorenz si ottiene con la regola della mano destra secondo cui che se si estende la mano destra e si allineano il pollice, l’indice e il medio in modo che siano perpendicolari tra loro, allora il pollice indica la direzione del vettore desiderato

Applicazioni della forza di Lorentz

La forza di Lorentz ha numerose applicazioni in diversi settori della medicina, dell’ingegneria e della tecnologia. Negli decenni i gruppi di ricerca hanno sviluppato metodi di imaging che sfruttano la forza che agisce sulle biocorrenti ovvero onde quadre specificamente modulate per interagire con le cellule quando è presente un campo magnetico.

La forza di Lorentz svolge un ruolo sempre più importante nelle nuove tecniche di imaging come quello magneto-acustico della corrente, l’imaging ad effetto Hall, l’imaging della forza di Lorentz indotto da ultrasuoni della conduttività, la tomografia magneto-acustica con induzione magnetica e l’imaging della forza di Lorentz delle correnti d’azione utilizzando risonanza magnetica.

tomografia a impedenza elettrica 1 da Chimicamo
tomografia a impedenza elettrica

Viene utilizzata nella tomografia a impedenza elettrica che visualizza le funzioni respiratorie fornendo informazioni continue e dettagliate sulla distribuzione della ventilazione nei polmoni. Le applicazioni di questa tecnica includono oltre al monitoraggio della funzionalità polmonare, lo screening del cancro alla pelle e alla mammella e l’imaging cerebrale.

La forza di Lorentz è utilizzata anche nel trasduttore ad ultrasuoni  destinato ad essere utilizzato con i sistemi ad ultrasuoni standard nella diagnostica ecografica o l’analisi del flusso dei fluidi del corpo umano. Inoltre è utilizzata nell’ultrasuonoterapia che utilizza delle onde sonore per trasferire energia al corpo umano.

Negli ultimi anni ha acquisito sempre più importanza per la sua azione antinfiammatoria e decontratturante, nel riassorbimento degli ematomi o nella guarigione dei tessuti danneggiati.

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